一种基于非共面编码视觉标记的按摩机器人轨迹生成方法与流程

本技术属于机器视觉，具体而言，涉及一种基于非共面编码视觉标记的按摩机器人轨迹生成方法。

背景技术：

1、随着服务机器人技术发展，按摩机器人逐步应用于康养、理疗、家居等场景，机器人示教是实现个性化按摩动作复刻的核心环节。目前行业内按摩机器人轨迹获取与示教主要采用以下几种方式：一是依靠人工口述、二维屏幕手绘、单点记录等方式规划按摩路径，该方式无法还原人体曲面部位的连续三维运动轨迹，也不能表征按摩工具的姿态与接触方向；二是采用机械臂拖动示教，直接拖拽机械臂记录运动路径，存在操作难度大、人体接触体验差、现场部署条件苛刻等问题；三是使用单平面二维码等平面视觉标记，或者采用普通视觉关键点进行定位，通过识别平面标记估算工具位姿，但在人体肩背、腰背、臀腿等复杂曲面作业场景中，手持工具易发生平移、俯仰、滚转，叠加手部遮挡、视角偏移、标记出视野等问题，极易造成识别中断、位姿抖动，且无刚体几何一致性校验机制，定位稳定性差；四是采用主从操作装置、传统位姿标识系统或高精度光学球标记系统，前者多应用于手术机器人、工业操作臂控制，缺少面向人体按摩场景的轨迹采集-存储-坐标转换完整业务链路，后者设备成本高昂、与常规rgb-d相机集成难度大，难以在按摩机器人场景规模化落地。

2、可见，现有轨迹采集与示教方案在定位稳定性、操作便捷性、成本控制、轨迹质量、场景适配性等方面均存在明显缺陷，无法满足人体曲面部位高精度、高灵活性的按摩轨迹生成需求。

技术实现思路

1、有鉴于此，本技术的目的在于提供一种基于非共面编码视觉标记的按摩机器人轨迹生成方法，通过双套非共面立体视觉工装结合机器视觉算法，实现按摩轨迹手持示教、一次采集多次复用，降低示教难度与设备成本，提升轨迹精度、稳定性与机器人复现效果。

2、本技术实施例提供的一种基于非共面编码视觉标记的按摩机器人轨迹生成方法，所述方法包括以下步骤：

3、配置手持采集工装和参考基准工装；其中，手持采集工装和参考基准工装设有多个具有唯一标识和角点特征的非共面编码视觉标记；

4、通过手持采集工装模拟按摩动作，由相机逐帧检测视觉标记并区分工装类型，并且通过多标记联合pnp算法求解作用点在相机坐标系下的六自由度位姿，完成按摩轨迹采集；

5、按照轨迹处理阈值对录制的按摩轨迹进行在线质量筛选，并且将筛选得到的有效轨迹作为相机坐标系源轨迹单次存储；

6、触发坐标转换指令后，检测参考基准工装并结合滑动窗口及多项指标进行稳定性校验；指标达标后，确定参考基准工装相对相机坐标系的锁定位姿；

7、基于源轨迹、锁定位姿、以及参考基准工装与机械臂基坐标系的固定变换关系，进行轨迹坐标系转换；

8、将转换后的机械臂基坐标系下的六自由度轨迹进行封装，生成包含位置和姿态信息、供机器人控制系统读取的轨迹文件。

9、在一些实施例中，所述通过多标记联合pnp算法求解作用点在相机坐标系下的六自由度位姿，包括以下步骤：

10、相机采集单帧图像后，逐一枚识图像内所有编码视觉标记，提取每一标记对应的二维像素角点，并绑定各标记的唯一id；

11、根据唯一id调取手持采集工装预先存储的立体刚体模型，匹配对应标记的三维空间角点坐标；

12、将归属于手持采集工装的全部可见标记所对应的二维角点、三维角点建立匹配关系，并且整合所有匹配点对统一代入pnp算法求解，一次性得到整套手持采集工装相对相机坐标系的六自由度整体位姿。

13、在一些实施例中，所述手持采集工装的坐标系原点设置在其末端球形作用点的球心处，位姿求解结果直接表征作用点在相机坐标系下的空间位置与姿态。

14、在一些实施例中，所述按照轨迹处理阈值对录制的按摩轨迹进行在线质量筛选，并且将筛选得到的有效轨迹作为相机坐标系源轨迹单次存储，包括以下步骤：

15、完成按摩轨迹采集后，基于预先配置的多类轨迹处理阈值进行在线质量筛选；其中，预先配置的轨迹处理阈值包括视觉标记成像阈值、帧间运动平稳阈值、标记有效识别阈值；

16、将筛选得到的有效轨迹定义为相机坐标系下的源轨迹并执行一次性存储，且对已存储的源轨迹进行多级后处理，所述多级后处理包括去离群点、滑动平均滤波、距离下采样、等弧长重采样中的一种或多种；其中，对源轨迹设置版本标识、时间标识、任务唯一标识、覆盖确认机制、权限校验机制或校验信息中的至少一种，以对源轨迹的重复写入、覆盖或修改进行管理。

17、在一些实施例中，采用滑动窗口机制，基于可见标记数量、单帧重投影误差、标记平均像素边长、连续帧位置偏差、连续帧姿态偏差和离群帧数量中的一种或多种进行稳定性判定；当窗口内满足预设条件的有效帧数量或有效帧比例达到预设阈值时，根据有效帧的平均位姿、加权平均位姿或鲁棒估计位姿确定参考基准工装相对相机坐标系的锁定位姿。

18、在一些实施例中，通过如下公式进行轨迹坐标系转换：

19、t_t2_t1=(t_c_t2_locked)^(-1)×t_c_t1

20、t_b_p=t_b_t2×t_t2_t1×t_t1_p

21、其中，t_c_t1为手持采集工装相对于相机坐标系c的六自由度刚体变换矩阵，t_c_t2_locked为参考基准工装相对相机坐标系c的刚体变换矩阵，t_t2_t1为手持采集工装相对于参考基准工装坐标系的刚体变换矩阵，t_b_t2为参考基准工装对于机械臂基坐标系b的固定刚体变换矩阵，t_b_p为按摩作用点相对于机械臂基坐标系b的最终六自由度刚体变换矩阵，t_t1_p为手持采集工装坐标系t1至按摩作用点坐标系p的固定刚体变换矩阵；当手持采集工装坐标系t1的原点与按摩作用点p重合时，t_t1_p为单位变换矩阵。

22、在一些实施例中，所述参考基准工装与机械臂底座采用螺接、定位销、刚性夹具或一体化加工的方式刚性固定；若存在安装位置和/或姿态偏差，通过外部标定确定参考基准工装与机械臂基坐标系之间的完整六自由度刚体变换关系。

23、在一些实施例中，所述方法还包括以下步骤：

24、读取历史保存的源轨迹文件，并恢复所述源轨迹的坐标系定义、位姿表达方式、时间信息和质量信息；在完成参考基准工装锁定和坐标关系确定后，对所述历史源轨迹再次执行坐标转换。

25、在一些实施例中，所述方法还包括以下步骤：

26、轨迹采集阶段与坐标转换阶段的相机机位发生变化时，通过固定世界参考标记、外部定位装置、环境特征匹配、多个参考基准工装或其组合，确定原相机坐标系与当前相机坐标系之间的刚体变换关系；依据所述刚体变换关系更新源轨迹后，再执行参考基准工装锁定及轨迹转换。

27、在一些实施例中，针对不同机械臂设备调用对应的机器人适配参数集；所述机器人适配参数集包括坐标轴映射关系、长度单位换算关系、姿态表示方式、参考基准工装至机械臂基坐标系的刚体变换关系、轨迹文件格式规则和运动学约束中的一种或多种。

28、在一些实施例中，所述机器人控制系统根据所述轨迹文件进行单位换算、坐标轴映射、姿态表达转换、时间参数生成、速度规划、逆运动学求解、安全校验和控制指令生成中的一种或多种处理。

29、在一些实施例中，还提供一种基于非共面编码视觉标记的按摩机器人轨迹生成装置，所述装置包括：

30、配置模块，用于配置手持采集工装和参考基准工装；其中，手持采集工装和参考基准工装设有多个具有唯一标识和角点特征的非共面编码视觉标记；

31、采集模块，用于通过手持采集工装模拟按摩动作，由相机逐帧检测视觉标记并区分工装类型，并且通过多标记联合pnp算法求解作用点在相机坐标系下的六自由度位姿，完成按摩轨迹采集；

32、存储模块，用于按照轨迹处理阈值对录制的按摩轨迹进行在线质量筛选，并且将筛选得到的有效轨迹作为相机坐标系源轨迹单次存储；

33、锁定模块，用于触发坐标转换指令后，检测参考基准工装并结合滑动窗口及多项指标进行稳定性校验；指标达标后，确定参考基准工装相对相机坐标系的锁定位姿；

34、变换模块，用于基于源轨迹、锁定位姿、以及参考基准工装与机械臂基坐标系的固定变换关系，进行轨迹坐标系转换；

35、生成模块，用于将转换后的机械臂基坐标系下的六自由度轨迹进行封装，生成包含位置和姿态信息、供机器人控制系统读取的轨迹文件。

36、在一些实施例中，还提供一种电子设备，包括：处理器、存储器和总线，所述存储器存储有所述处理器可执行的机器可读指令，当电子设备运行时，所述处理器与所述存储器之间通过总线通信，所述机器可读指令被所述处理器执行时执行上述任意一项所述的一种基于非共面编码视觉标记的按摩机器人轨迹生成方法的步骤。

37、在一些实施例中，还提供一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器运行时执行上述任意一项所述的一种基于非共面编码视觉标记的按摩机器人轨迹生成方法的步骤。

38、本技术所述的一种基于非共面编码视觉标记的按摩机器人轨迹生成方法，采用多非共面立体视觉标记构建立体刚体，通过多标记联合pnp算法求解六自由度位姿，大幅提升手持示教过程中的定位精度与稳定性。同时将轨迹采集与参考坐标系绑定解耦，参考基准工装无需在录制阶段持续出现在相机视野内，降低现场布局与拍摄角度限制，适配各类人体部位按摩示教场景。并且相机坐标系源轨迹仅采集保存一次，后续可多次触发参考工装锁定与坐标转换，同一条示教轨迹可反复转换适配不同安装工况、不同机械臂设备，无需重复手持示教，显著提升机器人调试与动作复刻效率。